El combustible nuclear és el material utilitzat per a la generació denergia nuclear. Es tracta d'un material susceptible de ser fissionat o fusionat segons el seu ús és la fissió nuclear o la fusió nuclear.
Ens referim al combustible nuclear tant al material (urani, plutoni...) com al conjunt elaborat amb aquest material nuclear (barres de combustible, composicions de material nuclear i el moderador o qualsevol altra combinació).
El combustible nuclear més utilitzat és l'urani pel fet que és el més idoni en els reactors nuclears de fissió. Actualment tots els reactors nuclears en producció per a la generació d'energia elèctrica són de fissió. A un altre nivell, també s'utilitza el plutoni com a combustible nuclear.
El triti i el deuteri són isòtops lleugers d'hidrogen que es fan servir en el procés de fusió nuclear. La fusió nuclear, de moment, no està prou desenvolupada per poder-la aplicar a centrals nuclears.
¿ Per què es fa servir el combustible nuclear?
Una central nuclear utilitza combustible nuclear per alimentar el reactor.
Els àtoms del combustible nuclear se separen progressivament pel procés de la fissió nuclear.
Aquesta energia calorífica es fa servir per obtenir vapor i impulsar una turbina acoblada a un alternador. D'aquesta manera, la central nuclear genera electricitat.
Perquè el reactor funcioni, la massa del combustible nuclear present al reactor arriba a l'anomenada massa crítica . La massa crítica és la quantitat necessària per iniciar una reacció en cadena que és autosuficient de manera estable.
Configuració de les barres de combustible en un reactor nuclear
El combustible nuclear es col·loca a barres dins del reactor. La col·locació en barres proporciona els avantatges següents:
- Facilita el transport.
- Permet alternar el combustible amb el moderador de neutrons i les barres de control.
- Simplifica lextracció del combustible al final del cicle.
El material fissionable s'ha de col·locar amb una disposició geomètrica que maximitzi l'eficiència de l'efecte en cadena. Aquesta disposició ha de tenir en compte la necessitat de deixar prou espai per inserir el moderador de neutrons.
Durant la fase de disseny dun reactor nuclear, també cal deixar espai per a les barres de control i els dispositius de diagnòstic.
En teoria, la manera ideal seria l'esfèrica; no obstant això, es fa servir una forma cilíndrica, obtinguda per la combinació d'un gran nombre de barres.
Cicle del combustible nuclear
El cicle del combustible nuclear és el conjunt d'operacions necessàries per a la fabricació del combustible destinat a les centrals nuclears. Les operacions del cicle també inclouen el tractament posterior del combustible gastat.
En el cas de l'urani, el cicle tancat inclou:
- La mineria per extreure'n l'urani natural.
- Producció de concentrats d'urani.
- Obtenció d'urani enriquit (enriquiment d'urani).
- Fabricació dels elements combustibles.
- L'ús del combustible al reactor.
- La reelaboració dels elements combustibles irradiats, per recuperar l'urani romanent i el plutoni produït.
Aquestes tasques les pot fer una empresa nacional o internacional amb el degut control de qualitat.
Esgotament i substitució del combustible nuclear
A diferència del combustible tradicional (per exemple, combustibles fòssils), el consum de combustible en un reactor nuclear és molt lent. Un cop carregat al reactor, dura generalment durant anys.
Per altra banda, les operacions de recàrrega de combustible són considerablement més complexes.
A diferència del que passa amb altres tipus de combustibles, el producte de la reacció (l'anomenada escòria) no es dispersa. Aquests productes romanen principalment dins de les pròpies barres o elements immediatament adjacents.
Amb el temps, les barres de combustible es tornen cada cop més pobres en material fissionable. Quan les barres arriben al punt on ja no és eficient explotar-les, s'han de reemplaçar.
Depenent de la geometria del reactor, pot passar que una part del combustible s'esgoti més ràpidament que altres parts: en general, la part central s'esgota més ràpidament que la part externa. La configuració de la barra és útil en aquest cas perquè permet el reemplaçament només de les parts més exhaurides.
Les barres esgotades, així com el material als voltants, s'han tornat altament radioactives a causa de la presència de productes de fissió generats per les reaccions, així com d'un altre material que es pot activar durant el procés de captura de neutrons o com a resultat d'altres processos similars.
L'eliminació de barres esgotades és, per tant, la part més complexa del desmantellament de l'escòria del reactor nuclear.
Seguretat i control del combustible nuclear
El maneig del combustible nuclear requereix estrictes protocols de seguretat a causa de la naturalesa radioactiva dels materials involucrats. Durant el transport, emmagatzematge i manipulació del combustible, s'implementen diverses mesures per protegir tant els treballadors com el medi ambient de la radiació.
Els reactors nuclears estan dissenyats amb sistemes de seguretat redundants per prevenir accidents. Això inclou la construcció de contenidors de contenció robusts, sistemes de refredament eficients i mecanismes d'apagat d'emergència que aturen la reacció nuclear en cas d'anomalies.
A més, les plantes nuclears segueixen rigorosos controls de qualitat i procediments operatius que són auditats regularment per organismes reguladors internacionals. La gestió dels residus radioactius també és fonamental, amb l'objectiu d'emmagatzemar-los de manera segura i evitar l'alliberament de materials perillosos al medi ambient.
Comparativa amb altres combustibles
El combustible nuclear es compara amb altres fonts denergia principalment en termes deficiència i el seu impacte ambiental.
- Eficiència L'energia nuclear té una alta densitat energètica. Una petita quantitat de material nuclear pot generar una gran quantitat d'energia, cosa que la converteix en una font molt eficient en comparació dels combustibles fòssils, com el carbó o el gas natural. Això és perquè la fissió nuclear allibera milions de vegades més energia per unitat de massa que la combustió de combustibles fòssils.
- Emissions A diferència dels combustibles fòssils, l'energia nuclear no emet gasos d'efecte hivernacle durant la seva generació d'electricitat, cosa que la converteix en una opció atractiva per reduir les emissions de carboni. Tot i això, el maneig de residus radioactius és un desafiament important. Els residus nuclears són altament radioactius i han de ser gestionats amb cura durant milers d'anys, cosa que representa un cost i una preocupació a llarg termini.
- Impacte ambiental : En termes dimpacte ambiental, lenergia nuclear té lavantatge de generar electricitat de manera molt neta en comparació amb les plantes de carbó o gas, que emeten grans quantitats de diòxid de carboni i altres contaminants. urani i la gestió de residus nuclears generen certs impactes, encara que són considerablement menors en comparació dels combustibles fòssils.
- Costos La construcció de plantes nuclears requereix grans inversions inicials, i el cost d'operació i manteniment també pot ser elevat, principalment a causa dels estrictes estàndards de seguretat i la gestió de residus. No obstant això, una vegada que una planta nuclear està en funcionament, el cost de producció delectricitat és relativament baix.
- Sostenibilitat L'energia nuclear és una font d'energia baixa en carboni i, teòricament, pot ser sostenible si es gestionen adequadament els recursos, encara que la disponibilitat d'urani i altres materials fissionables podria limitar la sostenibilitat a llarg termini. A mesura que les fonts renovables, com la solar i l'eòlica, es desenvolupen i es tornen més competitives, l'energia nuclear continua sent una opció, però el seu paper a la matriu energètica global podria canviar.